一种多孔Pd/Ni复合电极及其制备与在电合成H2O2中的应用制造技术

本发明专利技术属于电化学的技术领域，公开了一种多孔Pd/Ni复合电极及其制备与在电合成H2O2中的应用。制备方法：1)在导电基底上制备氧化锌纳米管阵列；2)以带有氧化锌纳米管阵列的导电基底作为工作电极，选取辅助电极，通过恒电流法电沉积Ni纳米颗粒，去除导电基底上氧化锌模板，获得Ni纳米管阵列电极；3)以Ni纳米管阵列电极作为工作电极，选取辅助电极，通过恒电流法电沉积Pd纳米颗粒，获得多孔Pd/Ni纳米管阵列电极。本发明专利技术的方法简单，成本低廉，所制备的电极具有良好的电催化活性，表现出高双氧水选择性、高活性等优点，在常温常压下通过现场电合成H2O2方面具有良好的应用前景。本发明专利技术的电极用于电合成H2O2。。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔Pd/Ni复合电极及其制备与在电合成H2O2中的应用


[0001]本专利技术属于电化学催化的
，具体涉及一种多孔Pd/Ni复合电极及其制备方法与在电合成H2O2中的应用。

技术介绍

[0002]双氧水(H2O2)具有能够可再生、被氧化后能分解为无毒无污染的水和氧气的优点，因此可以广泛应用于生活和生产工业上，如杀菌消毒，纸浆漂白，污水治理等等。目前，95％以上的双氧水主要依赖于多步骤、能量密集型的蒽醌工艺来生产，但是蒽醌工艺在基础设备设施方面投入大，生产过程中会能量消耗高，该工艺生产的高纯度双氧水在运输、处理和储存过程中亦存在安全隐患。相比之下，电合成H2O2则具有反应条件温和，且易于现场制备等优点。电合成H2O2还可在特定情况下直接应用在多种H2O2的使用场景，并且所需H2O2浓度要求不高，如碱性造纸漂白工业、废水处理、杀菌消毒等等。其中H2O2在医用杀菌消毒方面有着巨大的潜力，而将电合成H2O2结合相应的装置在连接纯水(或自来水)的环境下现场制备低浓度的H2O2溶液实现医用手部消毒是一个具有吸引力的研究方向之一。因此，该方法被认为是一种便捷、简易、可持续发展的“绿色”H2O2合成技术。
[0003]由于水是热力学上最有利的产物，因此在氧还原反应过程中，氧气有可能通过4电子途径还原为水而不是双氧水，这就导致了2电子电催化合成H2O2面临着选择性和反应活性较低的问题。因此，2电子电催化合成H2O2如今需要面对的挑战是开发高活性、高选择性和稳定性的电催化剂。贵金属钯(Pd)是目前最高效的2电子电催化合成H2O2的电催化剂，如何充分利用Pd原子，减少金属Pd的用量是实现其规模化应用的关键。因此，人们提出了一种碳负载的Au1‑
x
Pd
x
纳米颗粒，其对H2O2具有较高的选择性。此外，Pd
‑
Ag和Pt
‑
Hg等二元贵金属体系在近几年来也被证明能够选择性地将O2还原为H2O2。然而类似这样的二元贵金属体系中只有一小部分贵金属能暴露在表面作为活性位点，这大大降低了贵金属利用效率；而且使用有毒的或其他贵金属作为第二金属则对环境和经济角度不太友好。因此使用贵金属催化剂的重要前提是开发具有能够分散贵金属活性中心的非贵金属或非金属支撑基体以及对2e
‑
ORR具有优异的催化活性的贵金属活性位点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对上述问题，提供一种活性位点分散良好的、催化效果优异的多孔Pd/Ni复合电极及其制备方法与在电合成H2O2中的应用。所述多孔Pd/Ni复合电极为多孔Pd/Ni纳米管阵列，其纳米管壁是由纳米颗粒堆积而成的。所述复合电极具有优异的双氧水选择性，良好的稳定性，制备方法简单有效，整个合成过程绿色、可控，十分有利于该复合电极的大量生产。
[0005]为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种多孔Pd/Ni复合电极的制备方法，包括以下步骤：
[0007]1)在导电基底上制备氧化锌纳米管阵列；
[0008]2)以带有氧化锌纳米管阵列的导电基底作为工作电极，选取辅助电极，通过恒电流法电沉积Ni纳米颗粒，去除导电基底上氧化锌模板，获得Ni纳米管阵列电极；
[0009]3)以Ni纳米管阵列电极作为工作电极，选取辅助电极，通过恒电流法电沉积Pd纳米颗粒，获得多孔Pd/Ni纳米管阵列电极。
[0010]步骤2)中所述电沉积的条件为恒定电流的电流密度为0.4～1mA
·
cm
‑2，沉积时间为5min～40min。
[0011]步骤2)中所述电沉积时电解液为含有镍盐和铵盐的混合溶液。其中，混合溶液中的镍盐为硫酸镍、氯化镍、硝酸镍中的一种以上，其浓度为0.01～0.03M；混合溶液中的铵盐可以是氯化铵、硝酸铵中的一种，其浓度为0.02～0.05M。铵盐的浓度为镍盐的浓度1.5倍～2.5倍。
[0012]优选地，镍盐的浓度为0.02M，铵盐的浓度为0.04M
[0013]步骤2)中所述去除导电基底上氧化锌模板是采用酸去除，酸为0.01M～0.1M HCl溶液。
[0014]步骤3)中所述电沉积时，电解液为PdCl2溶液，其浓度为0.1mM～0.5mM。PdCl2溶液在配制时采用盐酸酸化，盐酸浓度为0.025～0.125mM，盐酸∶PdCl2溶液的浓度比＝1∶4，用盐酸酸化是因为盐酸可以抑制pd
2+
在溶液中水解。
[0015]步骤3)中所述电沉积的条件为0.25mA～0.5mA
·
cm
‑2，沉积的时间为15min～60min。
[0016]步骤1)中所述导电基底可以是泡沫镍、碳布、钛片其中一种，其中，所用的钛片是分别用400#、800#、2000#的砂纸依次打磨，并用无水乙醇清洗表面打磨脱落的氧化钛后得到的光滑钛片。
[0017]步骤1)中所述氧化锌纳米管阵列通过在铵盐溶液中电沉积以及碱刻蚀得到的。
[0018]所述氧化锌纳米管阵列是通过电沉积以及碱刻蚀得到。具体地，以导电基底为工作电极，选取辅助电极，以锌盐和铵盐为电解液，电沉积，然后碱刻蚀，得到氧化锌纳米管阵列。
[0019]电解液中锌盐的浓度为0.005
‑
0.02M，铵盐的浓度为0.04
‑
0.06M，电沉积的条件：电流密度，0.5
‑
0.8mA cm
‑2，沉积的时间为80
‑
100min，温度为70
‑
90℃。
[0020]所述用于碱刻蚀的碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氨水，其浓度为0.01M～1M，刻蚀时间为24h～48h。
[0021]所述辅助电极为碳棒。
[0022]步骤2)和3)中所述辅助电极为碳棒或铂片电极。
[0023]所述步骤(1)、(2)、(3)中得到的电极均要用水、无水乙醇依次冲洗，自然晾干。
[0024]本专利技术所述多孔Pd/Ni纳米管阵列复合电极能在酸性、中性、碱性体系中电催化2e
‑
氧还原生成双氧水。
[0025]实验表明，多孔Pd/Ni纳米管阵列复合电极具有很好的电催化生成双氧水的性能，其最高的双氧水法拉第效率约为86.5％。而且该电极具有良好的稳定性，能够持续10小时的H2O2稳定生产，H2O2产量为290.3μmol。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和效果：
[0027](1)本专利技术通过简单的电沉积法提供了一种自支撑多孔Pd/Ni纳米管阵列复合电
极(纳米颗粒堆积而成的纳米管)，整个合成过程绿色、可控，易于制备。
[0028](2)本专利技术利用氧化锌模板设计Ni纳米管阵列结构，增大纳米阵列的面积，从而增加电极表面的活性位点，并且以过渡金属Ni作为活性中心的载体，降低了电极制备的经济成本。
[0029](3)本专利技术通过精细调控，Pd原子通过电沉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔Pd/Ni复合电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)在导电基底上制备氧化锌纳米管阵列；2)以带有氧化锌纳米管阵列的导电基底作为工作电极，选取辅助电极，通过恒电流法电沉积Ni纳米颗粒，去除导电基底上氧化锌模板，获得Ni纳米管阵列电极；3)以Ni纳米管阵列电极作为工作电极，选取辅助电极，通过恒电流法电沉积Pd纳米颗粒，获得多孔Pd/Ni纳米管阵列电极。2.根据权利要求1所述多孔Pd/Ni复合电极的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述电沉积的条件为恒定电流的电流密度为0.4～1mA cm
‑2，沉积时间为5min～40min；步骤2)中所述电沉积时电解液为含有镍盐和铵盐的混合溶液；其中，混合溶液中的镍盐为硫酸镍、氯化镍、硝酸镍中的一种，其浓度为0.01～0.03M；混合溶液中的铵盐为氯化铵、硝酸铵中的一种，其浓度为0.02～0.05M；铵盐的浓度为镍盐的浓度1.5倍～2.5倍。3.根据权利要求2所述多孔Pd/Ni复合电极的制备方法，其特征在于：电沉积时，先以0.9～1mA cm
‑2的电流密度电沉积4～6min，然后以0.4～0.7mA cm
‑2的电流密度电沉积20～40min；所述镍盐为氯化镍、硝酸镍；所述镍盐的浓度为0.02M，铵盐的浓度为0.04M。4.根据权利要求1所述多孔Pd/Ni复合电极的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述电沉积时，电解液为PdCl2溶液，其浓度为0.1mM～0.5mM；步骤3)中所述电沉积的条件：电流密度为0.25～0.5mA
·
cm
‑2，沉积的时间为15min～6...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁良鑫，叶雅倩，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：